巷道围岩应力转移理论与技术

巷道围岩应力转移理论与技术中国矿业大学柏建彪（博士、教授）11概述2巷道围岩应力转移理论3顶板掘巷应力转移原理与技术4底板掘巷的应力转移原理与技术5煤层上行开采的应力转移原理与技术6巷道底板松动爆破应力转移与注浆加固技术7巷道迎头超前钻孔应力转移原理与技术8国内外其它技术主要内容21.概述3

围岩松软破碎

单轴抗压强度<30～40MPa

深井（自重应力）

高应力采动应力（原岩应力的2～8倍）

构造应力

松软破碎＋高应力大变形巷道难维护的原因4第一类，围岩软弱型，即软岩巷道第二类，采动影响型，即动压巷道第三类，深井高应力型，即深井巷道高应力巷道类型5我国国有大中型煤矿开采深度每年约以10～12m的速度向深部增加。一些老矿区和缺煤矿区相继进入深部开采阶段。由于开采深度的加大，岩体应力急剧增加，地温升高，当岩体应力达到甚至超过岩体强度时，有关岩体力学科学与工程的若干问题由量变逐渐发生质的变化，造成深部开采的极端困难，并引发矿井重大安全事故危险性增加，严重威胁矿井的安全生产。深井软岩成为重点6我国是世界产煤大国。我国煤炭储量大部分埋藏在深部，埋深大于600m和1000m的储量分别占到73.19%和53.17%。我国人口众多，用煤量大，不可能关闭深部矿井而依靠进口煤炭。因此，无论从战略高度还是从当前生产实际出发，都迫切需要积极开展深部开采中的基础理论研究，以求在新理论的指导下，使实用技术有新的突破和发展，使矿井深部开采走上安全、高产高效的健康轨道。7矿井高应力巷道具有围岩破碎严重，塑性区、破碎区范围很大，蠕变严重，岩石峰后状态和性质、长时强度发生变化等特点。这些特点造成巷道维护困难、维护费用高，影响生产等一系列问题。高应力巷道特点8合理可靠的支护

加固围岩（锚杆、注浆）

围岩应力转移

上述综合技术大变形巷道围岩控制的技术途径9对于机高应久力巷始道来藏说，闯相对禾降低理围岩嘉应力搬以达派到保诞护巷扑道，锡是控势制巷仆道围么岩变宪形的彼一条怀有效腰途径拌。因此喊，从条控制启应力番的角气度提钻出“巷道厚围岩喜应力扭转移竞理论浙与技杨术”的估研究赖问题研究枣巷道神围岩汗应力矮转移10巷道永围岩付应力壮的绩转移按理论11研究帽基础煤层戏采动驴引起吗回采棒空间驱周围捐岩层穷应力退重新闹分布灭，而递且将奴该应辱力向舒底板茂岩层舰深部盼传递窄。可母将煤科层底否板的狭岩层抽视为搬一个地半无免限体换。半平栋面体渐弹性骑问题胁是研固究半裳无限举平面逮体在笋边界客上受狸切向庭或法恐向分译布力纸或集雀中力纠（力猪偶）成作用谋时的贼平面养弹性绳问题揉。应用蹈格林柔函数咳，先铲通过清边界决归化详将双砖调和吐方程踢边值要问题室转化氏为一纹个只修与边诱界面俯力有危关的篇边界偿积分粘方程评，再相根据句已知筛的面孕力条蹈件通涂过具搅体积拿分可溪以直产接得禽到半弃平面沫体各书种弹袭性问幅题的割解析砌解。12半平岭面问片题应成力函碎数边使界积特分公誓式研究礼得到象上半阵平面趴重调洽和方嘉程的寺Po材is梨so忍n积列分公能式：研究德区域牙内各迈点的冰应力夸为：13底板心应力挣增量财分布采空顽区上坑覆岩侧层产狡生弯舒曲、塌沉降迷，断疲裂甚附至垮胳落，帝工作构面前候方和流采空胀区两震侧的盈煤体语和煤匪柱上澡应用喊增加截。将浙采动伟支承驼压力必简化抽为以末下的擦计算补图。b2为荒松塌蹦区，b为松兆弛区迁及塑僵性区胳，b1为料应力河升高棍的弹桶性区著及原京岩应穗力区14将上娘述模企型分专三段艰进行虫积分尝计算牵后得起到以站下应悉力公恒式：15力学严模型拍的建温立煤矿匀上行缓开采敌时，撑下部淋煤层秘可设喘为带悔状无绳限长阔板，斩通过脱复变渣函数厉方法孔对弹适性带积状无出限长课板应版力问艺题进裂行求穿解，铜建立谎以下致力学忧模型屋。上行敲开采误的应钟力转歌移原方理16力学纪模型污的建旨立根据糊带状么无限宫长板崭的应浓力函春数，阁结合测边界随条件公，计住算得泳到板拿的应辛力解蚀析表厅达式昆为：17开采雀煤层旋顶板雕中的寻应力在煤除矿开陶采过秆程中狐，采流空区鉴出现拐垮落岸带，贫结构奖模型陆简化网如图灰。18算例朗：取挺垮落警带宽批度为20非0m，两陡侧未跪采煤脑层距撕垮落惧带中椒心x轴距刊离为10苏0m，顶剩板承氏受的砖上部输载荷塌（原貌岩应撑力）p0=1仍0.浩5M与Pa，底泰部煤钟柱支革承载跃荷p1=2列1M蔬Pa，计氧算宽成度10卧0m，上毙部载鱼荷作斧用的深范围壳为40龙0m，顶吧板厚卸度a=奏50食m，则终得到获垂直蝇应力呆分布众图如貌下可见朱，采呀空区丈上方疏垂直抱应力违有大霞幅度描减少敌，距卵离采慨空区罢越近捐减少第幅度粮越大偷，随山着远拖离采妨空区锅逐步范增大各，逐票渐恢谁复到弱原岩垫应力旗。煤盛柱附遣近垂抚直应殿力的晒值较励大，牌且均这为压松应力酸；随底着距谦离的偏增加狗，应胆力逐趁渐减桑小，腰逐渐守恢复衬到原肆岩应挡力。19对高犬应力伟巷道招而言少，在嫂顶板咏或底剪板开轨掘巷揪道并赤松动兔爆破胆，形匠成卸纺压带吉，从什而将患围岩朽应力扇往深知部转谅移，爬降低扮了被怒保护更巷道超围岩阳浅部止的应欲力，彻这是太一种浊巷道纠保护身的有目效方昼法。为简梅化计危算，许对于带顶板轿或底胜板中狸开掘渐的大组面积秤卸压肝带，品可以偷将其诉简化技为狭赖长椭哨圆形太。关于橡椭圆贼孔的静平面辰问题前，通被过复蹄变函岂数计政算，害给出始了卸嗓压孔浴周围去较大缸范围职围岩烈应力倘分布凤的理娱论计需算公拘式。顶、判底板锋掘巷脏及松控动爆只破围艳岩应锣力转扩移原穿理20顶板遗掘巷税的应猾力转歼移原符理巷道捏顶板叨掘巷五实现璃应力诊转移费的简铸单模振型21底板品掘巷撇的应斯力转溜移原剃理简单州模型22狭长概椭圆狗孔口脸孔边付无均混布压腾力的小复变路函数灶通解23狭长歉椭圆讽孔口逗孔边吨有均它布压崖力的图复变飘函数掠通解24算例糠：取qx=0有.5，qy=1，椭早圆长参轴a＝15乐m，短备轴b＝0.葡5m，孔灿边内哨压q=导0.开1，计炊算结苏果如她下(分别旬为卸压遣孔正结上方甘的水唱平应让力和皱垂直颤应力营等值串线图)狭长捆松动建爆破拆卸压设孔围次岩应输力计盒算25椭圆截卸压晒孔对转侧向仙压力效的降事低效刘果不预太明忽显；艇而对筋垂直猴压力饱的降愚低效瓦果显蛛著，缺可根择据实股际需吐要改敲变卸甘压孔宣的尺迎寸来慕控制尝对垂嫁直应残力降奴低的深效果帅。因渔此对售于采食动影缸响下盘顶底板移椒近量迁大的彼峒室踩和巷血道是必十分纲有效旁的围诸岩应猫力转体移的凤技术碎途径滩。结论263怖顶板那掘巷宅应撕力转冤移原开理与浑技术27顶板笛掘巷树的应哀力转孝移原占理巷道睡顶板斥掘巷挤实现设应力掀转移俗的简遭单模臂型28巷道屯顶部交掘巷犹实现妥应力尊转移袋的效伍果29胶带阅输送膏机硐哀室与暖回采殿工作远面的脆关系胶带限输送排机硐葱室位唱于1奥30匆6工缝作面涉南侧挂50通m像处，没与3贯#煤谎层间剧距为目28唤~绕6仁0微m。病该采产区内抽，3英#煤塌层为野主采女煤层扫，其饰平均克厚度刑为9妈m乎，分岁3层白开采讽，分芝层采促高2锋.8皇~售3绣.0穗m鬼。鲍店敬煤矿嫩工程真实例30问题绸的提灶出由于孝北翼吩采区澡的1桶30签1和江13章04油工作熔面的策开采确，随冶着工怀作面芹的推宜进，独巷道焦受到傍了相芹当严封重的姐破坏柱，特陆别是贩13拍04侵工作口面跨但大巷及回采作期间畜，北旁翼胶剧带输缠送机好大巷牙底鼓膜量达询12崭35刮m提m，婆顶板鲁下沉览量达瓦38使8霞mm励，两资帮最钱大移宗近量盘达1江25型0方mm隐，断撒面缩倚小为征原断肤面的决55思%剂。北球翼胶朵带输同送机缺大巷径的破犬坏不肿仅严获重影郑响了讯矿井蒜的正调常生继产，逢而且港巨大茄的巷撞道维奖护费提用也倚大大沫降低裤了矿磁井的柱经济丽效益搞。31顶部显掘巷归的研挂究方恳案为解倦决问亮题，嫌初步狠提出堪以下括五种旦方案战，利瓜用数原值计挤算方夹法进暮行研代究：方案蝴一：啦无顶浆部卸咐压巷级时方案厚二：洁硐室掏顶部遗开掘姑8×搏2眠m2卸压暴巷方案盗三：卵硐室群顶部运开掘叙12唉×2础m2卸压告巷方案呆四：眨硐室霜顶部族开掘量16勿×2嫂m2卸压朴巷方案啦五：映硐室厚顶部昼开掘警20迁×2衬m2卸压净巷32研究佳结果预一：势对控牺制围巴岩变叫形的奸影响方案12345底鼓量（mm）20117013510267比值10.850.680.510.3333研究榴结果戚二：呈对围您岩应们力场泰的影亩响34顶部辫卸压裂巷设径计方淋案35松动凯爆破纳炮眼搏布置弹图36现场腿实测烈分析2112位移速度1－酬顶底2－沾两帮374逆底板纵掘巷摇应恨力转丧移原卷理与阴技术38底板贼掘巷密的应己力转犯移原腊理简单歪模型39蒋庄瓣煤矿昏工程什实例问题外的提垦出蒋庄毫煤矿教南翼末一部右和二隔部强厚力胶防带输晴送机毕担负江着矿画井水卸平的窃南翼客煤岩庸输送岂任务眠，因许此其窗机头耳硐室辈群的命良好志维护扁就是上十分原重要包的问开题，弊一旦元出现撇问题偏，势堪必影绢响到感全矿澡井的券生产娘。40胶带偏机头堤硐室巡寿群与3上30抢7、3下30砍7工作画面平兵面位喷置对浙照图41南翼轰二部非强力讯胶带在输送保机头利硐室接群平但面图42硐室延维护铃的难雾点1、世硐室繁群的沸组成导复杂性：有妨三个速电机娃硐室烧、1僚个张清紧绞惩车硐普室、礼转载匪机巷剃、操居作间见及几无条与例硐室裕相连家通的劳巷道割组成志。2、拴3上厚煤层扛开采拼对硐葡室的筋影响滨：该预煤层蛮距硐云室3尾0适m。摩（已储采）3、氧3下挡煤层巩开采嘉对硐杨室群糖影响旅大：届硐室课群距观离3两下煤节层约母15壳m。4、发硐室叶群的妄维护浊效果坡要求辛高：信不允舒许有路明显民底鼓揪和基略础破升坏。5、真主要立硐室谋的断今面大均。43计算煌结果1：垂姓直应跨力的括转移史效果硐室姿受采非动影框响期暑间，陆如不决采用籍底板杯掘巷煤应力卫转移峰技术承，主自要硐撤室周杏边的多垂直缎应力爬最大闲为4摸0橡MP逝a左储右。采用骡应力烂转移种技术扑后，阿主要值硐室传周边获的垂重直应搁力降贪低为削7.溉5斯MP扁a左献右。幕效果钉十分校明显泻。44计算艘结果2：水反平应端力的细转移逃效果受采保动影阻响期犯间，哥不采昨用应墨力转勿移技座术时距，硐觉室底萍板最垮大水油平应坏力为亿48巧M枪Pa新。采用经转移米技术猎后，签主硐保室底弯板的动水平钱应力蛮减小管为1顾5织MP狠a左躲右。45计算滴结果3：垂好直位锯移的膨控制雅效果硐室剪受采重动影掠响期滔时间喷，如陷不采拿用底思板掘谊巷应愤力转蔑移技孔术，铸主硐启室顶锯板下临沉量抱可达辉19俗3.励4晨mm惹，底棒鼓量促达1祸58温.8价m汽m。采用亦应力服转移扇技术桌后，耀主硐火室基告本无狐底鼓快。效愁果显狗著。46应力击转移蹦技术格对围凉岩的析控制泽效果碎比较注：殊（）歇内数蓝字表监示采啦取应崇力转心移技干术与棉不采蛙取应肢力转乡丰移技窄术时辛的变俊形比叶值。负值欣表示斗整体壤下沉爸。47卸压俱巷主忧要参盗数的啊研究盆模型48工业减性试患验方灾案49围岩轻变形今实测（1鸟）采档动影得响下剖，围偿岩变读形不原明显赵。（2略）硐凭室两轰帮相疮对移请近量等在2顷0块mm弦之内妻。（3泉）底挤鼓量蛮在1材0来mm及左右究。505悉煤层茶上行裳开采滤应局力转龟移原其理与尤技术51基本犯的应汪力转镜移原宗理上行辜开采希应力沾转移勺的基娃本原额理为翅：下据部煤月层先驳行开燥采后之，在西采空赤区上弹方形摊成冒也落带阿、裂咬隙带慌、弯旱曲下揭沉带很，上茧部煤之层处粗于裂鹊隙带只或缓王沉带铺内。采空禁区上史方岩誓层应隐力发兆生变荡化，急此区恐域的艇应力鸟显著辽降低挠。将荡上部夏煤层授的巷的道和养工作院面布矩置在狼下部家煤层而开采奥边界讯影响馅范围约以内嗓，即以布置槽在煤耐岩层蚕已发假生充纸分移楚动变胸形的告区域度内，锅巷道炭和工遥作面瓣处于奏应力演已经塘转移矮的低版应力悔区，暮可以避显著酬降低梦支护求难度萝，有忠效提键高矿猪井的位生产铸安全尤水平僵。52孙村目煤矿裂工程企实例问题芒的提轨出孙村宴煤矿摸-8除00谱m水晌平埋摄深达歪98践0m互，其询原岩趟应力沟中最副大水梁平主女应力脾与垂按直主捎应力魄之比吸为1倾.3怨4:础1.六0，己属构发造应怖力复投杂区淡域。险当受机到采恩动影由响后挂围岩屯应力亩将提结高到任原岩记应力玩的3锋～8尽倍，甩对巷袋道维刑护带多来严收重困败难。遍该矿投上组创煤的盯主采票煤层用为二纱、四回层煤伴。二层游煤平欲均厚弄度2心.0富2m渐，四揪层煤冶厚度幅，层挤间距价平均睛为2燃2m炕，煤卵层顶逝底板皇以砂司岩、舒粉细李砂岩呀为主刚体；舱三层复煤厚吓度平凤均为虽1.聋0m倘，局庭部可扎采，杯与四惊层煤赌之间锋的层质间距婆为（猴6.旗0~杰28缴.0唤）/管16熊.0法m，攻与二配层的糟层间顾距为撤（3柴.0初~7借.0戴）/简5.控0m闪。53覆岩伐裂隙狡带发渴育分乌带特乐征（泡井下垦探测霸研究钳）根据直钻孔伪注水匆漏失笛量和盲钻孔袄岩芯稠鉴定伴结果奶与冲吗洗液库漏失描情况垒，可指得到贩四煤生采空闻区覆拥岩裂哥隙发答育分替带规货律，就即从违四煤扛顶板饱为起惨点沿局地层苦法向仆的分印带发塑育特旨征为范：0抓m~渡4.狱6m雾为冒恋落带朴；4揪.6逐m~阻7.椅2m宣为强笔裂隙股带；须7.蔽2m兽~1撞3.询6m珠为中训裂隙纹带；踢13柜.6鼠m~监19口.1辉m为格弱裂豪隙带厉；1火9.舍1~脉25芬.5芦m为逆弯曲捡下沉酒带。据裂高咸为采介高的各13厉.6从倍。54物理终模拟储研究赴模型55模拟估结果1：四扭煤开脏采时甜老顶屋初次袍破断移情况56模拟答结果2：四研煤开道采时概老顶抖周期供破断疮情况57模拟宇结果3：四督煤开传采后渗二煤迎的赋彼存状豪态58模拟拖结果4：四供煤上柿行开劈燕采条鸣件下睛二煤慰采动亡时的罚情况59上行岩开采尸时上流覆围汪岩活简动特陕征①、歇覆岩氏运动较与结幼构可虾明显夺地划园分为斑冒落埋带，王强、哥中、被弱裂圆隙带惹及缓调沉带战。四欧煤冒毫落带边高度订为7数.3翼2m降（采袋高m冶=2并.2虑8m籍）；旁强裂背隙带匆高度捞为7槽.5鄙8m骨；中膛裂隙予带高兆度为泳9.宋26厉m；暑其上馒部为艘弱裂丙隙带评和缓钳沉带威。②、孩强、伙中裂介隙带溪内岩小层呈脾现明伪显的芦周期隙性运偿动，郑顶板肯离层生、断知裂所青形成拐的离烦层裂艘隙与黄斜交鸣裂隙声都十谣分发抚育，丙强裂伏隙带驾内岩杏层可诞能会监有微泻量的袭层间遵错动顺，中渣裂隙宇带以某上岩涨层无行层间绩错动联。以充上的瞎岩层炭运动府以离贤层裂胃隙为索主，研有轻脸微的猛斜交膜裂隙璃出现蚁。60③、例二煤磨处于刊中裂开隙带够上方清、弱寨裂隙拣带底封部，喊只产孔生离食层裂钩隙及童轻微遇的周止期性只斜交锹裂隙柴，并团在工成作面昌后方参及时忠得到按闭合帖。二受煤及绝其顶叼底板因结构雕保持芳完整漆，不校发生矩台阶仪错动贫。④、乓对二干煤复箭合顶驾板托据顶煤五及夹冒矸的觉上行捧开采奴实验战表明逮，由狐于上掌行开泽采的脊应力多转移案作用终，二稠煤复伸合顶冷板在惭控顶锻区上者方能盟够较茫好地岭维持耽顶板些稳定咐，可刺以实纤现复椅合顶帅板煤宏层的摇上行炕开采蜂。⑤、膊开采挪四煤她能降仆低二储煤的社应力功强度妨水平谎，减弄缓冲疼击地测压的竿危险爷，并所能减虑弱二执煤的姨来压注强度趁和地币质构告造应吨力的蚕影响棚。61上行祖开采坊应力甲转移仇的理套论计裹算结匀果由图矮可见猾，四歇煤上萝行开换采后所，在俭二煤盲和四农煤范妻围内梳，围键岩中完的垂歪直应踪蝶力明处显降羡低。繁而在撇二煤探采空窝区前率方垂郑直应仰力约晨为原象岩应餐力的握16咸0％另～1绣26奏％。晒这表皂明，异由于攻四煤第的上时行开昨采，怕致使牲采空稿区上堂部一脉定范芦围内阶的煤场层应帮力转瓦移到膊了采素空区酿附近搭的煤作岩层对中，曲在开限采范银围内瞧形成强了低河应力船区，熔为上训部二祥煤的位开采汪创造太了有余利的清应力金环境配。62应力散转移狸后上迫部煤课层巷咳道围税岩变愁形曲鹿线受采寺动影致响时63应力庄转移忌后对秀上部捧煤层脊工作夫面的史影响（1妹）在露下行锹开采断时，恳二煤缎工作累面由股于顶孔板压是力大淋，煤详壁片幸帮与互机道康冒漏咱顶现棍象十傅分严智重。采用视上行斩开采管后，惰二煤若回采慕工作征面复鸣合顶天板稳黎定，度工作垦面无化冒漏烛顶事刚故发恢生，顺平均浪原煤印单产傲与推反进速欢度提计高到堤1.逃88河倍。（2慈）二尿煤具菜有强控烈冲象击倾年向，奋上行感开采熄完全借消除搅了冲肌击危岩险。646垒底板催松动份爆破藏应局力转漏移与帝注浆殃加固鹿技术65基本诉的应矿力转势移原冲理在巷涉道底胃板中帜布置嗓钻孔袭，并辅进行淘药壶翻爆破补，在物巷道唱底板信中产院生围斗岩弱难化区姥，将腐集中铅应力颗转移庄到围汇岩较辉深部议。66松动炮爆破锈的关猛键技肯术爆破矛的内风部作窄用原泉理当发筒生内演部爆辜破作秀用时疾，在酸围岩秋中形疤成爆闷破空酱腔、殖压碎阔圈、词裂隙截圈及毫震动喉圈。裂隙园圈的创大小城是影谈响应罢力转堂移的戚关键劝因素67平顶奔山六考矿工妈程实瞒践问题梳的提蜻出六矿狂二水懂平戊稠二采苦区开叛发中法，设市计的观上山按绞车表房水疗平标赛高-犬26基0m榨，埋赤深5贴50映m。游绞车筋房坐如落在瞒戊1雾1煤蜓层下往部5宜m处畏，绞沙车房决围岩订由顶孔部到辞底板驳分别即为：珠0.座59掌m厚断的戊荣11侍煤层跃、3阀.9吧1m铅厚的吼泥岩姥、3滤.2暴4m躁厚的绕细砂绞岩、葬4.呜25候m的紫砂质抹泥岩主。该绞暗车房淹在掘唱进完飘成后桑不久不即因贡底鼓冲严重屡而破缝坏，菠影响粱了采厕区的掘生产捆。分响析表弱明，阁绞车缘瑞房的庆破坏周主要症是因票为较交高的案围岩惭应力屯所致牧。68技术遣路线①、裳利用设松动技爆破圣的应敏力转锹移原数理，热将绞先车房续周围草较高赖的围跳岩应府力转旷移到君深部摊，为糟硐室贤治理碍创造隶有利及的应稀力环傻境。②、拥在爆脚破破贤碎区烦中进晨行注彩浆，船对底东板进已行加潮固，悠达到椅最终富稳定恶硐室耽围岩器的目能的。69方案动参数讽设计70围岩竹底鼓志量观月测结那果与原捧绞车间房不谣卸压贴的底胳鼓量险相比插，底芬鼓量油明显逃降低玻，约佩为原手来底瓦鼓量章的1奇/3驶。717按巷道偷迎头粱超前裂钻孔缓应田力转秘移原话理与督技术72基本适原理1—扇—巷凤道掘凶进头2—解—应关力转敏移钻斗孔1—棚—掘渔进巷萌道月2—蚂—超句前钻疫孔3—杂—钻位孔前廉垂直冈应力太分布出曲线参4—诵—钻杠孔后喉垂直迷应力遗分布哗曲线73平顶释山十枯一矿锈工程捏实践巷道蒜围岩虎条件己16絮-1随7—该22颜12闸0工作羡面，哪两侧吧均为慢未开叼采的循实体带煤。夫工作尺面煤酸层地熟质